(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．２０〜０．５０％、
Ｓｉ：１．０％以下、
Ｍｎ：５．０％以下、
Ｐ：０．１〜０．５％、
Ｎｉ：８．０〜１５．０％、
Ｃｒ：１６．０〜２５．０％、
Ｍｏ：２．０〜５．０％、
Ｃｕ：０．５％以下、
Ｎｂ：１．０％以下、
Ｗ：８．０％以下、
Ｎ：０．０２〜０．２％、
Ｂ：０．０１％以下、
の各元素を必須で含有し、
残部はＦｅ及び不純物からなるエンジンバルブ用耐熱鋼であって、
以下の関係式を満たすことを特徴とする高温強度に優れたエンジンバルブ用耐熱鋼。
４４２Ｐ（％）＋１２Ｍｏ（％）＋５Ｗ（％）＋７Ｎｂ（％）+３２８Ｎ（％）＋１７１≧３００…（１）式
−３８．１３Ｐ（％）＋１．０６Ｍｏ（％）＋０．１３Ｗ（％）＋９．６４Ｎｂ（％）＋１３．５２Ｎ（％）＋４．８３≧２．０…（２）式
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、優れた高温疲労強度を有するエンジンバルブ用耐熱鋼であって、特に自動車用内燃機関に使用されるエンジンバルブ用耐熱鋼に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車用エンジンバルブの排気バルブ用耐熱鋼には、高温強度、耐酸化性に優れ、且つ、安価である高Ｍｎ系耐熱鋼の２１−４Ｎ鋼（ＪＩＳ規格：ＳＵＨ３５）及びその改良鋼が広く使用されてきた。
エンジンバルブのフェース部は、バルブシートとの断続的な接触のため、高い耐磨耗性が要求される。このため、上記２１−４Ｎ鋼や改良鋼を用いたバルブのフェース部には、通常、ステライト等の肉盛りがなされており、これにより高温での硬さや耐摩耗性を補っている。
また、更に負荷の高いところで使用されるバルブ材にはＮｉを多量に含み、金属間化合物のγ’（ガンマプライム）を析出させることにより、高温強度を高めた析出強化型耐熱合金や超耐熱合金のＮＣＦ７５１が一部で使用されているが、Ｎｉを多く含むためコストが高くなるという問題がある。【０００３】
しかし、近年の環境規制強化にともない、ガソリンエンジンの高効率化、高出力化による燃焼温度の高温化により、上記した耐熱合金よりも安価で、且つ、高温強度に優れるバルブ用耐熱鋼の要求が出てきている。
これに対して、安価なＦｅ基耐熱鋼をベースにＣ、Ｎ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒに加え、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖを適正添加することによりＮｉ等の高価な原料を極力抑えた母材をベースに１１００〜１１８０℃の固溶化熱処理を施した後、バルブ形成を７００〜１０００℃の温度域で鍛造を行うことで加工歪を蓄え、歪時効硬化を狙った時効処理を施して、エンジンバルブのフェース部の硬さを４００ＨＶ以上に高め、高温域での使用でも過時効軟化を抑えたエンジンバルブの製造方法が特開２００１−３２３３２３号公報（特許文献１）に提案されている。
また、高Ｍｎ系耐熱鋼の２１−４Ｎ鋼の改良材としてＭｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ等の合金元素を添加して固溶強化や析出強化を図り、高温強度や耐摩耗性を改善したエンジンバルブ材が特開２００２−２９４４１１号公報（特許文献２）及び特開平３−１７７５４３号公報（特許文献３）に提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３２３３２３号公報
【特許文献２】特開２００２−２９４４１１号公報
【特許文献３】特開平３−１７７５４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献１に開示される合金は、Ｆｅ基耐熱鋼をベースにしているため素材コストの面では優れるが、バルブの製造工程で歪を素材内に蓄える必要があると共に、窒化物の析出強化を利用することから高温での固溶化熱処理を必要とし、厳密な温度管理や製造管理が求められ、かえってコスト面での優位性が薄れる可能性がある。
また、特許文献２及び３に開示される合金は、従来の２１−４Ｎ鋼よりも優れた高温強度を具備しているが、近年の燃焼温度の高温化に適用するエンジンバルブ材としては強度が不足している。
本発明の目的は、Ｎｉ基耐熱合金にも劣らない高温強度をＦｅ基耐熱鋼で実現することにより安価なエンジンバルブ用耐熱鋼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、Ｆｅ基耐熱鋼をベースに、高温強度と各種合金元素の関係を鋭意検討した結果、Ｐ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎの添加量に加えて、それらの相互関係こそを厳格に管理することで、極めて良好な高温強度を得ることができることを見いだし、本発明に至ったものである。
即ち本発明は、質量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：５．０％以下、Ｐ：０．１〜０．５％、Ｎｉ：８．０〜１５．０％、Ｃｒ：１６．０〜２５．０％、Ｍｏ：２．０〜５．０％、Ｃｕ：０．５％以下、Ｎｂ：１．０％以下、Ｗ：８．０％以下、Ｎ：０．０２〜０．２％、Ｂ：０．０１％以下、の各元素を必須で含有し、
残部はＦｅ及び不純物からなるエンジンバルブ用耐熱鋼であって、以下の式を満たす高温強度に優れたエンジンバルブ用耐熱鋼である。
４４２Ｐ（％）＋１２Ｍｏ（％）＋５Ｗ（％）＋７Ｎｂ（％）+３２８Ｎ（％）＋１７１≧３００…（１）式
−３８．１３Ｐ（％）＋１．０６Ｍｏ（％）＋０．１３Ｗ（％）＋９．６４Ｎｂ（％）＋１３．５２Ｎ（％）＋４．８３≧２．０…（２）式
【発明の効果】
【０００７】
本発明のエンジンバルブ用耐熱鋼は、Ｎｉ基耐熱合金にも劣らない高温強度をＦｅ基耐熱鋼で発現することが可能になることから、エンジンバルブ用耐熱鋼の低コスト化に大きく寄与するものである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明は、上述の新規な知見に基づいてなされたものであり、以下に本発明における各元素の作用について述べる。
本発明のエンジンバルブ用耐熱鋼において、以下の範囲で各化学組成を規定した理由は以下の通りである。なお、特に記載のない限り質量％として記す。
Ｃは、マトリックスに固溶してγ組織を安定化させると共に強度を増加させる。また時効処理により炭化物を析出し、常温及び高温強度を増加させると共にマトリックス中のＮｂ、Ｗ、Ｍｏに富む炭化物を形成することにより耐磨耗性にも寄与する。特にＮｂと結びつくことによって、高温での固溶化熱処理中の結晶粒成長の防止並びに低温域での強度を増加させる効果がある。０．２％より少ないと上記した効果が得られず、一方、０．５％を越えて添加してもより一層の特性向上の効果がみられないばかりか、Ｃr炭化物形成による耐酸化性、靭性の低下、及びＮの固溶度を低下させることから、Ｃは０．２〜０．５％とした。好ましいＣの範囲は０．２５％を超え０．４％以下である。
【０００９】
Ｓｉは、溶製時の脱酸剤として作用し、また耐高温酸化性を増加させるが過度の添加は熱間加工性、靭性を低下させると共にσ相の形成を助長することからＳｉは１．０％以下とした。好ましいＳｉの範囲は０．６％以下である。
Ｍｎは、γ安定化元素であると共に冷間並びに温間加工時に加工硬化を促進し、またＮの固溶度を上げることで強度向上に寄与するが、過度の添加は高温域での熱間加工性の低下、高温強度の低下を引き起こすことから５．０％以下とした。好ましいＭｎの範囲は３．０％以下である。
【００１０】
Ｐは、Ｃと共にＭ２３Ｃ６型炭化物の析出を促進し、Ｃと置換して炭化物中に取り込まれることによって格子定数が大きくなり析出強化に寄与する。このような効果を得るためにＰは０．１％以上必要であるが、０．４％を超えて添加すると熱間加工性、粒界強度、靭性の低下を招くことからＰは０．１〜０．５％とした。好ましいＰの範囲は０．１５％を超え０．４％以下である。
Ｎｉは、マトリックスのγ組織を安定化し、強度、耐食性、耐酸化性を向上させると共に冷間並びに温間加工時には加工硬化を促進する。このような効果を得るためにＮｉは８．０％以上必要であるが、１５．０％を超えて添加するとＮの固溶度を低下させるばかりかコスト高に繋がることからＮｉは８．０〜１５．０％とした。好ましいＮｉの範囲は９．０〜１１．０％である。
【００１１】
Ｃｒは、エンジンバルブの耐食性、耐酸化性向上に不可欠な元素であると共に、時効処理により炭化物を形成し、常温及び高温強度を増加させるため１６．０％以上が必要である。しかし、２５％を超えて添加すると有害なσ相を形成することから、Ｃｒは１６．０〜２５．０％とした。好ましいＣｒの下限は１８．０％、好ましい上限は２２．０％である。
Ｍｏは、マトリックス中に置換型原子として固溶し強化すると同時に一部は炭化物を形成し高温強度を向上させる。このような効果を得るためには２．０％以上が必要である。しかし、５．０％を超えて添加するとσ相を形成し、延性を低下させることからＭｏは２．０〜５．０％とした。好ましいＭｏの範囲は３．０〜５．０％である。
【００１２】
Ｃｕは、マトリックスのγ組織を安定化すると共に冷間加工時の靭性改善、並びに、微細Ｃｕ相化合物の析出により高温強度を向上させるが過度の添加は熱間加工性、耐酸化性を低下させることから０．５％以下とした。
Ｎｂは、Ｃ、Ｎと結びついて高温での固溶化熱処理中の結晶粒成長の防止や強度が向上するため、１．０％を上限に添加する。しかし、過度の添加は固溶Ｃ、Ｎ量が増加してしまい、かえって強度低下を招くと共に多量の炭化物、窒化物の形成により冷間加工性を低下させることがある。
【００１３】
Ｗは、Ｍｏと同属元素であり、Ｍｏと同様、マトリックス中に置換型元素として固溶し強化すると同時に、一部は炭化物を形成し高温強度を向上させる。Ｗは、基本的にＭｏと同様の作用を有するが、耐酸化性に関してはＷの方が有利であり、原子量がＭｏの２倍であることから高温における拡散速度が小さく、クリープ強度を向上させる効果が大きいため、クリープ強度を向上させる場合にはＷの添加は有効である。しかし、過度の添加は炭化物、窒化物を形成し高温強度に対し、十分な効果が得られないため８．０％以下とした。
Ｎは、Ｃと並んでγ組織を安定化させる元素であり、その大部分がマトリックス中に浸入型原子として固溶し、強化に寄与する。このような効果を得るためには０．０２％以上が必要である。しかし０．２％を超える過度の添加は引き抜き加工での加工硬化が著しくなり、靭性低下に繋がることからＮの範囲は０．０２〜０．２％とした。
Ｂは、γ粒界を強化して熱間加工性、高温強度及び耐クリープ特性の改善に有効であるが、過度の添加は粒界の溶融温度を低下させ熱間加工性を劣化させることからＢは０．０１％以下とした。
以上、説明する元素以外は、Ｆｅ及び不純物とする。
【００１４】
本発明のエンジンバルブ用耐熱鋼は安価なＦｅ基耐熱鋼をベースに固溶強化、析出強化に寄与する合金元素を適正添加し、高温強度を得るものである。そして、高強度化を得るため、合金元素のＰ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎの添加量を適正に調整することが重要である。
以下にその理由を詳しく説明する。
エンジンバルブ材において、特に要求される特性である高温強度は、Ｎｉ基耐熱合金や超耐熱合金の場合では、γ’の析出量やその組成を変えることで向上させることが可能である。しかしながら、Ｆｅ基耐熱合金の場合では、その強化機構が主に炭化物、窒化物等による析出強化や合金元素の固溶強化に限られており、これらの強化機構を複合的に利用しようとすると各元素の相互作用により逆に特性が低下してしまうことがある。
そこで、これらの強化方法を最大限に発揮できるよう種々の合金元素について研究した結果、Ｐ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎが高温強度に及ぼす影響が多いことが明らかとなり、更には各元素の特性に対する相互関係を、的確な係数による関係で評価でき、よって、この関係を厳密に管理することが必要であることをつきとめた。
【００１５】
すなわち、鋼中のＰ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎの含有量が、的確な係数を用いた関係において、（１）式：４４２Ｐ（％）＋１２Ｍｏ（％）＋５Ｗ（％）＋７Ｎｂ（％）＋３２８Ｎ（％）＋１７１≧３００の相互関係を満たすように調整することである。
この値が３００よりも小さいと各元素の強化機構が有効に作用しなくなり、高温強度、しいては高温での引張強度低下を招くことになる。
また、鋼中のＰ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎの含有量が、的確な係数を用いた関係において、（２）式：−３８．１３Ｐ（％）＋１．０６Ｍｏ（％）＋０．１３Ｗ（％）＋９．６４Ｎｂ（％）＋１３．５２Ｎ（％）＋４．８３≧０．１２の相互関係を満たすように調整することで高温強度、しいては高温での疲労強度の低下を防ぐことができる。
この値が０．１２よりも小さくなると各元素の相互作用で本来の強化機構が低下してしまい、高温強度が低下してしまう。好ましい範囲は、上記式による値が２．０以上である。
【００１６】
上述した２つの式を満たすよう、的確にＰ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎを調整することで、これらの元素が作用する固溶強化、析出強化を最大限、複合的に利用することが可能となり、すぐれた高温強度を兼ね備えたエンジンバルブ用耐熱鋼の提供が可能となる。
本発明のエンジンバルブ用耐熱鋼は、近年の燃焼温度の高温化に伴い、２１−４Ｎ鋼やその改良鋼では適用できない領域、例えば今までγ’析出強化型の耐熱合金を利用した領域の一部において、その優れた高温強度特性から適用することが可能となり大幅な低コスト化が達成できる。
【実施例】
【００１７】
以下の実施例で本発明を更に詳しく説明する。
エンジンバルブ用耐熱鋼を真空誘導溶解炉で溶解し、１０ｋｇのインゴットを作製後、１１００℃に加熱して熱間鍛造を施し３０ｍｍ角の棒材に鍛伸した。さらに１１３０℃で２０分保持後、油焼入れの固溶化熱処理を行った後、７５０℃で１００分保持、空冷の時効処理を行った。化学組成を表１に示す。【００１８】
【表１】
0005400140.tif 000002
【００１９】
表１に示す素材から常温及び８００℃の硬さ、引張試験、８００℃−２５０ＭＰaの条件下で回転曲げ疲労試験を実施した。硬さ測定はビッカース硬度計により測定した。引張試験はＡＳＴＭ法により平行部直径６．３５ｍｍにて測定した。回転曲げ疲労試験にはＪＩＳ  Ｚ２２７４号に従い、平行部直径８ｍｍの試験片を用いて、回転数３３００ｒｐｍで試験片が破断するまでの回転数を求めた。各種試験結果を表２に示す。【００２０】
【表２】
0005400140.tif 000003
【００２１】
表２より、本発明合金は、常温での硬さや引張強さが比較合金よりも劣るものがあるが、８００℃の温度域では何れも高い値を示しており、高温での特性に優れることが分かる。エンジンバルブには一般に機械的特性では疲労強度が特に重要であることから本発明鋼は比較鋼よりも疲労強度が高い値を示しており、高い性能を示していることが分かる。
また、（１）式の値が高いほど常温並びに高温域での引張強度が優れる傾向にあり、ＰやＮの析出あるいは固溶強化の影響が大きい。また、表１の（２）式の値は疲労強度の目安を表す指標であり、この値が大きいほど疲労破断回数が多くなる傾向にある。Ｎｂの析出強化、結晶粒微細化効果やＮの析出強化の影響が大きい。
このように高温強度を得る為に、（１）式及び（２）式の値を適宜、添加する合金元素量でコントロールすることで各相互作用の影響により特性低下を招くことなく析出強化や固溶強化を最大限に利用することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
以上のように、本発明によればエンジンバルブ用耐熱鋼として高温強度に優れ、なお且つＦｅ基耐熱鋼をベースにしていることからコスト面、省資源化に貢献するものであり、自動車用エンジンバルブに使用することによりエンジンの性能を大幅に向上させることができる。